DE102017222764A1

DE102017222764A1 - CMC-Formkörper wie Turbinenkomponente mit thermischer Barriere-Beschichtung, sowie Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102017222764A1
Application number: DE102017222764.8A
Authority: DE
Inventors: Niels Van der Laag
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-06-19

Abstract

Die Erfindung betrifft Formkörper aus Ceramic-Matrix-Composite-CMC-Material oder CMC-Hybridmaterial, wie beispielsweise Turbinenkomponenten und/oder Gasturbinenelemente, bei denen - zumindest teilweise - die herkömmlichen Materialien, wie beispielsweise Legierungen und insbesondere Superlegierungen durch CMCs ersetzt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung dabei die Haftung der auf den CMCs aufgebrachten, insbesondere thermischen Schutz bietenden, Beschichtungen. Durch die Erfindung wird erstmals der Zusammenhang zwischen der Wahl der Verstärkungsfaser im CMC und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten erkannt. So kann erfindungsgemäß durch geschickte Auswahl und Verteilung verschiedener, zumindest zweier Verstärkungsfaser-Fraktionen innerhalb eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE an der Oberfläche gezielt eingestellt und auf den CTE der angrenzenden Schicht abgestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Formkörper aus Ceramic-Matrix-Composite-CMC-Material oder CMC-Hybridmaterial, wie beispielsweise Turbinenkomponenten und/oder Gasturbinenelemente, bei denen - zumindest teilweise - die herkömmlichen Materialien, wie beispielsweise Legierungen und insbesondere Superlegierungen durch CMCs ersetzt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung dabei die Haftung der auf den CMCs aufgebrachten, insbesondere thermischen Schutz bietenden, Beschichtungen.
Substanzielle Verbesserungen der thermischen Effizienz von Turbinen, insbesondere von Gasturbinen, können durch eine Steigerung der Betriebstemperatur und/oder über die Reduzierung erforderlicher Kühlluft erreicht werden. Die Kühlluft wird eingesetzt, um strukturelle Stabilität der mit dem heißen Gas direkt in Verbindung tretenden Bauteile zu gewährleisten.
Insgesamt werden sowohl die strukturell eingesetzten Materialien als auch deren strategisch günstige Platzierung bei den Bauteilen eines Abgasstrangs oder Turbinenkomponenten ständig weiterentwickelt, damit sie nicht nur unter den bestehenden Heißgas-Betriebsbedingungen eine ausreichend hohe Lebensdauer zeigen, sondern eben auch Effizienzsteigerungen über Erhöhung der Betriebstemperatur oder Verringerung der Kühlluft erlauben.
Bislang werden beispielsweise Nickel-basierte Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz-Beschichtungen als Materialien für derartige Formkörper, insbesondere Gasturbinenkomponenten, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiterentwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und wenig substanzielle Steigerung noch möglich.
Dagegen ist die Technik der CMCs, insbesondere der Faserverstärkten CMCs eine Alternative und kann allein oder in Kombination mit Superlegierungen zur Schaffung neuartiger Turbinenkomponenten eingesetzt werden.
Dabei zeigen insbesondere die Oxide-CMCs, also die auf Metalloxiden basierenden CMC-Materialien, eine erhöhte Beständigkeit gegenüber beispielsweise Oxidation, auf.
Trotz dieser verbesserten Eigenschaften, wie erhöhter Oxidations-Beständigkeit und geringerer Dichte der CMCs, die eine Steigerung der Betriebstemperatur und eine Reduzierung der Kühlluft erlauben, gibt es auch bei den CMCs limitierende Faktoren, wie beispielsweise das Kornwachstum innerhalb der keramischen Fasern. So ist es nötig, die Dauerbetriebstemperatur unbeschichteter CMC-Formkörper auf maximal 1200°C zu beschränken.
So ist es auch angebracht, ähnlich wie bei Turbinenkomponenten die komplett aus Superlegierung gemacht sind, bei den CMC-Superlegierungs-Hybridlösungen und/oder auch bei ganz aus CMC gemachten Formkörpern für den Betrieb im Heißgasstrom, Beschichtungen, insbesondere thermisch wirksame, insbesondere schützende Beschichtungen wie die so genannten Thermal Barrier Coatings - TBC - Beschichtungen - aufzubringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine CMC-Turbinenkomponente oder CMC-Metall-Hybrid-Turbinenkomponente mit einer Beschichtung auf dem CMC als Schutz gegen die durch Heißgasstrom erzeugten Schäden an Formkörpern, insbesondere an Turbinenkomponenten, zur Verfügung zu stellen, die gut haftet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Formkörper aus einem Ceramic Matrix Composite Material mit Faserverstärkung, wobei zumindest zwei Fraktionen an Verstärkungsfasern innerhalb des Formkörpers vorgesehen sind, derart, dass die Zusammensetzung der Fraktionen an Verstärkungsfasern oberflächennah verschieden ist von der Zusammensetzung der Fraktionen an Verstärkungsfasern oberflächenfern.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass ein entscheidender Faktor bei der Haftung einer TBC auf einem CMC Formkörper der thermomechanische Stress ist, der durch die jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der aneinander angrenzenden Schichten entsteht. Insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des CMCs durch die enthaltene Verstärkungsfaser beeinflusst und es kann durch Variation der -dominierenden - Verstärkungsfaser-Fraktion im CMC eine gezielte Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der jeweiligen Region des Formkörpers bewirkt werden, so dass auch eine Angleichung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer angrenzenden Schicht durch Variation der Verstärkungsfaser-Fraktionenzusammensetzung im CMC Formkörper erzielt werden kann. Insbesondere kann die Angleichung der oberflächennahen Regionen des CMC-Formkörpers an eine angrenzende, beispielsweise TBC, Schicht durch Änderung der Verstärkungsfaser-Fraktionenzusammensetzung so erfolgen, dass je oberflächnnäher der Bereich desto höher der Anteil an Verstärkungsfaser mit hohem CTE und ergo desto höher der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der betrachteten Region.
Als eine zu betrachtende Region des CMC-Formkörpers kann, beispielsweise beim Aufbau des CMC-Formkörpers als Laminat, die oberen Lagen oder nur die oberste Lage des Laminats bezeichnet werden.
Als „Verstärkungsfaser-Fraktion“ wird vorliegend eine Menge Verstärkungsfasern im CMC bezeichnet, die gleich ist hinsichtlich ihres Materials, ihrer Form, Verflechtung, Faserlänge, vor allem eben auch eine Menge an Verstärkungsfasern im CMC, die einen gleichen CTE hat.
Als „Verstärkungsfaser-Fraktionenzusammensetzung“ wird vorliegend das Verhältnis bezeichnet, in dem eine Verstärkungsfaser-Fraktion zu einer anderen und/oder zur Gesamtheit der Verstärkungsfasern im CMC vorliegt. Beispielsweise liegt Fraktion I mit Verstärkungsfaser aus einem Gemisch von Aluminiumoxid und Mullit und einem CTE von ca. 6 * 10^-6 K^-1 im oberflächenfernen Bereich zu 100% vor, in einem mittleren Bereich zu 80% und in einem oberflächennahen Bereich zu 30% vor, wohingegen in dem oberflächennahen Bereich die Verstärkungsfaser-Fraktion II aus einem anderen Material mit einem höheren CTE von beispielsweise 8 10^-6 K^-1 zu 70% vorliegt.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Oberflächenbereich, also beispielsweise der obersten Lage des CMC-Lagen-Laminats zu 100% die Verstärkungsfaser-Fraktion II mit dem höheren CTE-Wert vorliegt.
Nach erfolgter Angleichung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der angrenzenden Schichten, also der CMC-Oberfläche und der darauf liegenden TBC entfällt oder vermindert sich der thermomechanische Stress und die Haftung einer TBC Schicht verbessert sich im Heißgas-Dauerbetrieb und bleibt länger stabil.
Es wurde insbesondere erkannt, dass eine metalloxidische Verstärkungsfaser des bekannten Oxidbasierten CMC, beispielsweise Nextel 720-Fasern aus Alumina und Mullit mit einer TBC Beschichtung aus hauptsächlich Yttrium stabilisiertem Zirkonium -YSZ - hier zur Ablösung der TBC Schicht führen kann, weil die großen Unterschiede der jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine zu große thermische Belastung auf das Verbund-System bringen. Demgegenüber wurde bei Einsatz einer anderen Verstärkungsfaser-Fraktion, beispielsweise der metalloxidischen Nextel 610 Alumina-Faser zumindest in den oberflächennahen Schichten oder Lagen des CMC-Formkörpers, eine Angleichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten - CTE - des Formkörpers an den der TBC Schicht beobachtet und die Haftung der TBC auf dem CMC-Formkörper konnte dabei enorm verbessert werden.
Der Vergleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestätigt dies, da das CMC mit Verstärkungsfaser-Fraktion Nextel 720 einen CTE von 6 bis 7 * 10^-6 K^-1 hat; die Verstärkungsfaser-Fraktion Nextel 610 einen höheren CTE von ca. 8 * 10^-6 K^-1 hat und schließlich die anhaftende TBC-Schicht einen noch höheren von 9 bis 10 * 10^-6 K^-1 . Damit ist klar, dass bei Dominanz der Nextel 610 Verstärkungsfasern in den oberflächennahen Bereichen des Formkörpers die CTEs der beiden angrenzenden Schichten sich ähnlicher sind und daher bei hohen Temperaturen weniger thermomechanischer Stress auf die Haftung der beiden Grenzflächen aneinander wirkt.
Durch die Erfindung wird erstmals der Zusammenhang zwischen der Wahl der Verstärkungsfaser oder Zusammensetzung der Verstärkungsfaser-Fraktionen im CMC und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten erkannt. So kann erfindungsgemäß durch geschickte Auswahl und Verteilung verschiedener, zumindest zweier Verstärkungsfaser-Fraktionen innerhalb eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE an der Oberfläche gezielt eingestellt und auf den CTE der angrenzenden Schicht abgestimmt werden.

Claims

Formkörper aus einem keramischen Kompositmaterial CMC - Ceramic Matrix Composite- oder aus einem CMC-Metall-Hybridmaterial, eine Keramik-Matrix mit darin eingebetteten keramischen Verstärkungsfasern aufweisend, wobei zumindest zwei Fraktionen an Verstärkungsfasern vorgesehen sind, eine die oberflächennah im CMC-Formkörper dominiert und eine die oberflächenfern im CMC-Formkörper dominiert, wobei die beiden Verstärkungsfaser-Fraktionen dem CMC-Formkörper an der jeweiligen Stelle einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten CTE verleihen.
Formkörper nach Anspruch 1, wobei die Keramik-Matrix eine Metalloxid-Keramik ist.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, der ein Laminat darstellt.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einer thermisch schützenden Beschichtung, wie einer thermal barrier coating beschichtet ist.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest in der obersten Laminatlage eine Verstärkungsfaser dominiert, die den thermischen Ausdehnungskoeffizient der CMC Oberfläche so beeinflusst, dass er sich an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer angrenzenden Beschichtung angleicht.